DE1598402B1 - Device for measuring the moisture of a material - Google Patents
Device for measuring the moisture of a materialInfo
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Description
1 21 2
Die Erfindung bezieht ich auf eine Vorrichtung keitsgehalts und der spezifischen Dichte des Erd-The invention relates to a device and the specific density of the earth
zum Messen der Feuchtigkeit eines Materials, ins- bodens gestattet,for measuring the moisture of a material, permissible in the soil,
besondere des Erdbodens, mit einer Quelle für Fig. 2 eine Aufsicht auf die Vorrichtung nachparticular of the ground, with a source for Fig. 2 is a plan view of the device
schnelle Neutronen auf der einen Seite einer Probe Fig. 1 nach Entfernung der Schutzabdeckungen undfast neutrons on one side of a sample Fig. 1 after removal of the protective covers and
des zu untersuchenden Materials und mindestens 5 F i g. 3 eine vergrößerte Darstellung, die Einzel-of the material to be examined and at least 5 F i g. 3 is an enlarged view of the individual
einem Detektor für Neutronen eines bestimmten heiten im Aufbau des im Rahmen der Vorrichtunga detector for neutrons of a certain unit in the structure of the device
Energieintervalls auf der gegenüberliegenden Seite nach F i g. 1 und 2 verwendeten Detektors für schnelleEnergy interval on the opposite side according to FIG. 1 and 2 used detector for fast
der Probe. Neutronen erkennen läßt.the sample. Can detect neutrons.
Meßeinrichtungen dieser Art sind bekannt. Die Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung bekannten Meßeinrichtungen sind zwar gegenüber io zur kombinierten Messung der Feuchtigkeit und der ebenfalls bekannten Meßeinrichtungen, bei denen die Volumenmasse ein und derselben Materialprobe. Zu Neutronenquelle und der Neutronendetektor auf der diesem Zweck enthält die Vorrichtung eine Strahlengleichen Seite der Probe aus dem zu untersuchenden quelle, die aus einer Quelle schneller Neutronen zuMaterial angeordnet sind, insofern von Vorteil, als sammen mit einer Quelle von Gammastrahlen bebei ihnen der Oberflächenzustand des zu unter- 15 steht; die Mittel zur Erfassung der Strahlen umfassen suchenden Materials nicht so stark in das Meßergeb- zumindest einen Detektor für Neutronen, deren nis eingeht; sie sind jedoch ebenfalls nicht frei von Energie über dem Energieniveau thermischer Neu-Mängeln. So ist beispielsweise die maximal zulässige tronen liegt und einen Detektor für Gammastrahlen. Dicke für mit einer Einzelmessung zu erfassenden Die Vorrichtung ist derart gestaltet, daß die Strahlen-Proben begrenzt, da bei größeren Probendicken nur 20 quelle und die Detektoren auf gegenüberliegenden ein Teil der für den Detektor allein erfaßbaren Seiten der Probe angeordnet sind. Die Messung der thermischen Neutronen bis zu dem Detektor gelangt Intensitäten der von den beiden Detektoren erfaßten und außerdem bei größeren durchstrahlten Volumina Strahlungen gestattet, nach Eichung des Gerätes die Wahscheinlichkeit unterschiedlicher Feuchtigkeit gleichzeitig die Volumenfeuchtigkeit der Probe und innerhalb des Meßvolumens, die sich in veränderten 25 ihre spezifische Dichte und aus diesen Werten den Streuungsbedingungen für die Neutronen auswirkt Gewichtsanteil der Feuchtigkeit zu bestimmen, und damit in das Meßergebnis eingeht, zu groß wer- Die als Beispiel beschriebene Vorrichtung ist ganz den kann. Dementsprechend sind bei den bekannten speziell zur Messung der Bodenfeuchtigkeit bestimmt. Meßeinrichtungen zur Untersuchung größerer Meß- Bei dieser Vorrichtung ist die Strahlenquelle an Volumina, wie sie beispielsweise bei Erdbodenunter- 30 einer Stange angebracht, die in den Boden eingeführt suchungen zwangläufig auftreten, jeweils sehr viele werden kann. Weiterhin sind zwei Gruppen von Einzelmessungen erforderlich. Detektoren vorgesehen, die jeweils einen DetektorMeasuring devices of this type are known. The embodiment relates to a device known measuring devices are compared to io for the combined measurement of moisture and the also known measuring devices in which the volume mass of one and the same material sample. to Neutron source and the neutron detector on the for this purpose, the device contains an equidistant side of the sample from the source to be examined, which from a source of fast neutrons to material are arranged, in that they are together with a source of gamma rays they are subject to the surface condition of the 15; comprising means for detecting the rays searching material is not so strong in the measurement result- at least one detector for neutrons, their nis is received; however, they are also not free of energy above the energy level of new thermal defects. So for example the maximum allowable tronen lies and a detector for gamma rays. Thickness for to be detected with a single measurement The device is designed in such a way that the radiation samples limited, since with larger sample thicknesses only 20 source and the detectors on opposite sides a part of the sides of the sample which can be detected only by the detector are arranged. The measurement of the thermal neutrons to the detector reaches intensities of those detected by the two detectors and radiation is also permitted for larger volumes irradiated, after the device has been calibrated the probability of different humidity at the same time the volume humidity of the sample and within the measuring volume, which changed in their specific density and from these values the Scattering conditions for the neutrons affects the weight fraction of moisture to be determined The device described as an example is complete can. Accordingly, the known ones are specifically designed for measuring soil moisture. Measuring devices for examining larger measuring devices. In this device, the radiation source is on Volumes such as those attached, for example, to a rod under the ground, which is inserted into the ground Searches inevitably occur, each of which can be very many. Furthermore, there are two groups of Individual measurements required. Detectors are provided, each with a detector
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Tech- für Neutronen, deren Energie über dem Energienik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, niveau thermischer Neutronen liegt, und einen Deeine Meßvorrichtung anzugeben, die eine genaue Er- 35 tektor für Gammastrahlen umfassen. Die Detektorfassung auch größerer Probenvolumina mit einer gruppen sind an der Bodenoberfläche symmetrisch einzigen Messung gestattet und damit Bodenunter- zur Stange angeordnet. Das Gesamtresultat wird aus suchungen im Gelände stark erleichtert. dem Mittelwert der Meßwerte gebildet, die von denBased on this known state of the art for neutrons, their energy above the energies Therefore, the invention is based on the object, level thermal neutrons, and a Deeine Specify measuring devices that include an accurate detector for gamma rays. The detector socket Even larger sample volumes with a group are symmetrical on the soil surface A single measurement is permitted and is therefore arranged below the floor to the bar. The overall result will be from Searches in the field are made much easier. the mean of the measured values obtained from the
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend beiden Gruppen erhalten werden. Dadurch läßt sich von einer Meßvorrichtung der eingangs erwähnten 40 der Einfluß von möglichen Abweichungen der gegen-Art gelöst durch die Verwendung von Detektoren für seitigen Lage der Stange bzw. der Strahlenquelle Neutronen, deren Energie über dem Energieniveau gegenüber den Detektoren, hervorgerufen beim Einthermischer Neutronen liegt. bringen und Anlegen der Vorrichtung im Gelände,According to the invention, this object will be achieved starting from both groups. This allows of a measuring device of the 40 mentioned above, the influence of possible deviations of the opposite kind solved by the use of detectors for the lateral position of the rod or the radiation source Neutrons, whose energy is above the energy level compared to the detectors, caused by the thermal mixer Neutrons lies. bring and put on the device in the area,
Das Grundprinzip der Erfindung ist also darin zu beseitigen.The basic principle of the invention is thus to be eliminated therein.
sehen, den Einfluß gestreuter Neutronen, die hin- 45 Das zur Erläuterung der Erfindung ausgewählte sichtlich ihrer Energie in den Bereich thermischer Ausführungsbeispiel, wie es in der Zeichnung verNeutronen fallen, auf das Meßergebnis auszuschalten. anschaulicht ist, wird zur Untersuchung einer Boden-see the influence of scattered neutrons, which are selected to explain the invention visibly their energy in the range of thermal embodiment, as it verNeutronen in the drawing fall to turn off the measurement result. is clear, is used to investigate a soil
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung liefert Meß- probe 1 benutzt, in dessen Zentrum zuvor eine Bohwerte, die nur wenig um einen Mittelwert schwanken. rung 2 hergestellt wurde. Die Vorrichtung enthält zu-Außerdem läßt sie sich leicht zur zusätzlichen Mes- 50 nächst eine Stange 3, die an ihrem unteren Ende eine sung der spezifischen Dichte erweitern, bei der die Quelle 4 für schnelle Neutronen trägt; diese Neuzu untersuchenden Proben mit Gammastrahlen tronenquelle besteht vorzugsweise aus einem Gedurchstrahlt werden. misch von Americium und Beryllium, die im Ver-The measuring device according to the invention supplies test sample 1 used, in the center of which previously a drilling value, which fluctuate only slightly around a mean value. tion 2 was established. The device also includes it can easily be used for additional measurement 50 next a rod 3, which at its lower end a expand solution of the specific density at which the source 4 carries fast neutrons; this Neuzu Examining samples with gamma rays electron source preferably consists of a transilluminated will. mix of americium and beryllium, which are
Die Erfahrung hat gezeigt, daß die mit einer er- gleich insbesondere zu einer Radium-Beryllium-ProbeExperience has shown that those with a sample are particularly similar to a radium-beryllium sample
findungsgemäßen Vorrichtung gemessenen Zählwerte 55 den Vorteil hat, daß sie keine Gammastrahlen hohercounter values 55 measured according to the device according to the invention has the advantage that they do not have gamma rays of higher magnitudes
ein genaues Maß für die Volumenfeuchtigkeit des Energie aussendet. Über dieser Neutronenquelle 4an exact measure of the volume moisture of the energy it sends out. Above this neutron source 4
Materials darstellen, das sich zwischen Strahlen- ist eine Gammastrahlenquelle 5, beispielsweise aufRepresent material that is between radiation is a gamma ray source 5, for example
quelle und Detektor befindet. Man kann die relative der Basis von Cäsium 137, angeordnet.source and detector is located. One can see the relative of the base of cesium 137, arranged.
Genauigkeit der Feuchtigkeitsmessungen, die an In die in dem Boden hergestellte Bohrung 2 wirdAccuracy of the moisture measurements of I n the hole 2 made in the ground is
Bodenproben von ungefähr 35 cm Dicke durchge- 60 zunächst ein Führungsrohr 6 eingebracht, dessenSoil samples approximately 35 cm thick were first introduced through a guide tube 6, the
führt werden, auf etwa 2% schätzen. oberer Endteil 7 über die Bodenfläche herausragtleads are estimated at around 2%. upper end part 7 protrudes above the bottom surface
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist im und das einen geschlossenen unteren Teil 9 aufweist,To further explain the invention is in and that has a closed lower part 9,
folgenden ein Ausführungsbeispiel für eine erfin- Auf den oberen Teil 7 des Rohres 6 ist das Gehäuse 8The following is an exemplary embodiment of an inventive method. On the upper part 7 of the tube 6 is the housing 8
dungsgemäße Vorrichtung näher beschrieben, das in aufgesetzt, das zu diesem Zweck in seiner Mitte einthe device according to the invention described in more detail, which is placed in, the one in its center for this purpose
der Zeichnung näher veranschaulicht ist. In dieser 65 Führungs- und Zentrierorgan enthält, das im wesent-the drawing is illustrated in more detail. This contains 65 guiding and centering organ, which is essentially
zeigt liehen aus einem teilweise kugelig gestalteten Dreh-shows borrowed from a partially spherical rotating
F i g. 1 eine schematisierte Seitenansicht einer Vor- körper 10 sowie einer Gruppe von Federn 11 besteht,F i g. 1 is a schematic side view of a pre-body 10 and a group of springs 11,
richtung, die gleichzeitig die Messung des Feuchtig- die den Körper 10 elastisch an einen kugelförmig ge-direction, which at the same time the measurement of the moisture, the body 10 elastically on a spherical
krümmten Ringsitz 12 andrücken. Der Körper 10 hat eine axiale Bohrung 13, die das obere Rohrende 7 des Führungsrohres mit Spielsitz umfaßt und die in ihrem oberen Endteil 14 auf kleineren Durchmesser abgesetzt ist, der jedoch das Einführen der Stange 3 s mit den Strahlenquellen 4, 5 gestattet.Press the curved ring seat 12 on. The body 10 has an axial bore 13 which the upper pipe end 7 of the guide tube with a play fit and which in its upper end part 14 to smaller diameter is removed, which however allows the insertion of the rod 3 s with the radiation sources 4, 5.
In dem Gehäuse 8 sind auf beiden Seiten des Drehkörpers 10 Kammern 17 bzw. 18 vorgesehen, die zur Unterbringung elektronischer Geräte dienen und beispielsweise die Vorverstärker 19 bzw. 20 enthalten, die für die beiden Meßschaltungsanordnungen bestimmt sind. An den äußeren Enden des Gehäuses 8 sind zwei einander gleiche Detektorkammern 21 und 22 angeordnet, die je einen Detektor DG für Gammastrahlen und einen Detektor DN für Neutronen. Die beiden Detektoren sind von innen nach außen nebeneinander angeordnet. Die Detektoren, die eine im wesentlichen zylindrische Form haben, sind in Eindrückungen oder Sicken 23, 24 angeordnet, die in den Boden der entsprechenden Kammern eingedrückt sind. Die Empfänger oder Detektoren ruhen in diesen Eindrückungen oder Sicken, welche die Rolle von Stützfüßen spielen und sich leicht in den Boden eindrücken können. Auf diese Weise befinden sich die Detektoren DN, DG möglichst dicht an der Oberfläche der zu untersuchenden Bodenprobe 1. Um diesen Kontakt mit dem Boden und die Stabilität der Vorrichtung zu verbessern, ist eine der Detektorkammern, hier die Kammer 22, an das Gehäuse 8 der Vorrichtung über einen Schwenkzapfen 25 angeschlossen, der eine Schwenkung der Detektorkammer 22 um ihre horizontale Achse zuläßt. Ein Winkelanschlag 26 begrenzt jedoch diese Schwenkbewegung auf einen Schwenkwinkel in der Größenordnung von 10°. Wie man leicht versteht, gestattet diese schwenkbare Lagerung der einen Detektorkammer 22 zusammen mit der Kugelsitz-Zentrierlagerung des Gehäuses 8 eine bessere Anpassung der Detektoren DN, DG an gegebenenfalls vorhandene Unregelmäßigkeiten der Bodenoberfläche und/oder an einer Abweichung der Bohrung von der Vertikalen.In the housing 8 chambers 17 and 18 are provided on both sides of the rotating body 10, which are used to accommodate electronic devices and contain, for example, the preamplifiers 19 and 20, which are intended for the two measuring circuit arrangements. At the outer ends of the housing 8, two identical detector chambers 21 and 22 are arranged, each having a detector DG for gamma rays and a detector DN for neutrons. The two detectors are arranged side by side from the inside out. The detectors, which have a substantially cylindrical shape, are arranged in indentations or beads 23, 24 which are indented into the bottom of the corresponding chambers. The receivers or detectors rest in these indentations or beads, which play the role of supporting feet and can easily indent into the ground. In this way the detectors DN, DG are as close as possible to the surface of the soil sample 1 to be examined. In order to improve this contact with the soil and the stability of the device, one of the detector chambers, here the chamber 22, is attached to the housing 8 of the The device is connected via a pivot pin 25 which allows the detector chamber 22 to pivot about its horizontal axis. An angle stop 26, however, limits this pivoting movement to a pivoting angle of the order of magnitude of 10 °. As can easily be understood, this pivotable mounting of one detector chamber 22 together with the ball seat centering mounting of the housing 8 allows the detectors DN, DG to be better adapted to any irregularities in the floor surface and / or to a deviation of the bore from the vertical.
Elektrische Verbindungsleitungen 27 und 28 verbinden die Neutronendetektoren mit dem Vorverstärker 20; elektrische Leitungen 29, 30 verbinden in entsprechender Weise die Gammadetektoren mit dem Vorverstärker 19. Weitere Verbindungsleitungen 31, 32 (Fig. 1) dienen zur Speisung der Empfänger und zum Anschluß an bekannte Verstärker- und Meßgeräte.Electrical connection lines 27 and 28 connect the neutron detectors to the preamplifier 20; electrical lines 29, 30 connect the gamma detectors in a corresponding manner the preamplifier 19. Further connecting lines 31, 32 (Fig. 1) are used to feed the receiver and for connection to known amplifiers and measuring devices.
Die F i g. 3 zeigt den Aufbau eines Neutronendetektors DN: Ein bekanntes Detektorrohr 33, beispielsweise mit Bortrifluorid, das auf thermische Neutronen anspricht, ist in der Mitte eines Moderators 34, beispielsweise aus Paraffin, angeordnet, das im Innern einer Filterhülle untergebracht ist, die hier aus einem Indiumblechmantel 35 und einem Kadmiumblechmantel 36 besteht. Die Filterhülle garantiert das praktisch vollständige Abfangen von auftreffenden Neutronen mit nur thermischer Energie. Sie läßt jedoch einen erheblichen Anteil von auftreffenden Neutronen hindurch, deren Energie über dem thermischen Energieniveau liegt, d. h. epithermische und schnelle Neutronen. Lediglich diese epithermischen und schnellen Neutronen wirken infolgedessen auf den Neutronendetektor 33 ein, nachdem ihre Energie innerhalb des Moderators 34 abgesenkt worden ist.The F i g. 3 shows the structure of a neutron detector DN: A known detector tube 33, for example with boron trifluoride, which responds to thermal neutrons, is arranged in the middle of a moderator 34, for example made of paraffin, which is housed inside a filter envelope, here made of an indium sheet metal jacket 35 and a cadmium sheet metal jacket 36. The filter cover guarantees the practically complete interception of neutrons that hit it with only thermal energy. However, it lets through a considerable proportion of incident neutrons whose energy is above the thermal energy level, ie epithermal and fast neutrons. As a result, only these epithermal and fast neutrons act on the neutron detector 33 after their energy has been reduced within the moderator 34.
Beispielsweise sei angegeben, daß ausgezeichnete Resultate unter Benutzung einer Filterhülle erhalten werden konnten, die für Neutronen mit Energie unterhalb 1 eV undurchdringlich ist, d. h. also, daß man lediglich die Neutronen erfaßte, die bei ihrem Austritt aus der zu untersuchenden Materialprobe eine Energie haben, die zwischen der Energie von eV (bestimmt durch die Filterhülle) und 5 MeV (entsprechend der Austrittsenergie der Neutronen aus der Strahlenquelle) liegt. Da jedoch die Neutronen geringer Energie wenig Chancen haben, durch das Paraffin-Moderatorvolumen hindurchzukommen, hat der größte Teil der erfaßten Neutronenstrahlung beim Austritt aus dem Untersuchungsmaterial eine Energie zwischen etwa 0,1 und 5 MeV.For example, it should be noted that excellent results were obtained using a filter wrap which is impenetrable for neutrons with energy below 1 eV, i.e. H. so that only the neutrons were recorded when they emerged from the material sample to be examined have an energy between the energy of eV (determined by the filter envelope) and 5 MeV (corresponding to the energy of the neutrons exiting the radiation source). However, since the neutrons low energy have little chance of getting through the paraffin moderator volume the largest part of the detected neutron radiation at An energy between about 0.1 and 5 MeV emerges from the test material.
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